Wybór warystora do tłumienia napięć przejściowych

Cieszę się, że nigdy nie byłem w samolocie ani w samochodzie, który został uderzony przez piorun. Gdyby do tego doszło, obwody ochrony przed przepięciami włączyłyby się, aby pomóc stłumić szkodliwe prądy i zapobiec uszkodzeniu delikatnych elementów elektronicznych. Jeśli wdrażasz nowy produkt w środowisku wysokiego napięcia, w systemie lotniczym lub innych obszarach o dużym obciążeniu, musisz zaprojektować ochronę przed przepięciami dla swojego nowego produktu.

Istnieje wiele opcji ochrony przed przepięciami w nowych urządzeniach. Komponenty dostępne do ochrony przed przepięciami obejmują diody, bezpieczniki i przekaźniki. Jednym z elementów, który nie otrzymuje należnej uwagi, jest warystor. Te komponenty mają mały rozmiar, niski koszt i porównywalną ochronę przed przepięciami w porównaniu z innymi komponentami. Oto, co musisz wiedzieć o różnych komponentach ochrony przed przepięciami i jak wypadają one na tle warystorów.

Warystor a inne komponenty ochrony przed przepięciami

Warystor wykazuje nieliniowe zachowanie podobne do obserwowanego w diodzie TVS, chociaż nie wykazuje prostowania. Odpowiedź tego komponentu, czyli jego oporność stałoprądowa/impedancja przemienna, jest nieliniowa i maleje monotonicznie wraz ze wzrostem siły impulsu wejściowego. Te komponenty są dwukierunkowe, tzn. mogą być sterowane w przód lub w tył. Ten typ urządzenia wykazuje cechy podobne do konfiguracji diod Zenera połączonych przeciwsobnie.

Warystory są najczęściej wykonane z tlenku cynku, chociaż są również wykonane z węglika krzemu. Materiał użyty do budowy warystora określa jego subprogowe wahanie, napięcie zaciskowe i trwałość urządzenia. Tlenek cynku ma znacznie większą oporność niż węglik krzemu, co oznacza, że ma mniejszy prąd upływu przy niskim napięciu. Te urządzenia są zwykle dostępne jako komponenty przewlekane, chociaż dostępne są również komponenty SMD.

Innym typem warystora z tlenku cynku jest warystor wielowarstwowy (MLV). Te warystory są zaprojektowane do pracy z sygnałami przemiennymi, które zwykle występują w PCB dla systemów elektroniki mocy (umiarkowane napięcie, stosunkowo niska częstotliwość). Gdy są umieszczone jako elementy równoległe w chronionych obwodach, są idealne do tłumienia przepięć z przełączania obciążeń indukcyjnych, ESD i pozostałości po przepięciach spowodowanych przez pioruny, które mogą uszkodzić układy scalone.

Ważne specyfikacje warystorów

Szeroki zakres warystorów na rynku utrudnia określenie najlepszej opcji dla Twojego następnego systemu. Ważne jest rozważenie progu napięcia przepięciowego i wartości szczytowych napięcia/prądu, ale wybór warystora to coś więcej niż te wartości. Oto kilka ważnych specyfikacji, które należy rozważyć w kartach katalogowych warystorów:

• Napięcie zaciskowe: Jest to napięcie, które będzie spadać na warystorze podczas impulsu o określonym kształcie i maksymalnym prądzie.

• Maksymalna energia: Jest to maksymalna energia, którą MOV może rozproszyć dla określonego impulsu przejściowego. Tłumienie takiej ilości energii spowoduje degradację warystora i może on nie funkcjonować prawidłowo podczas kolejnych zdarzeń tłumienia napięcia przejściowego.

• Maksymalne napięcie stałe w porównaniu do napięcia przemiennego: Wartość ochrony przed przekroczeniem napięcia przemiennego różni się od wartości napięcia stałego. Przekroczenia napięcia przemiennego są zwykle określane jako wartości RMS, a te wartości są mniejsze niż oceniane wartości napięcia stałego. Te wartości można wybrać nieco powyżej pożądanego napięcia sieci, ponieważ warystor musi tłumić duże transjenty.

• Krzywa prądu szczytowego w stosunku do napięcia szczytowego: Te dwie wartości napięcia zależą od napięcia zaciskowego. Ogólnie rzecz biorąc, napięcie zaciskowe wzrasta wraz ze wzrostem wartości ochrony napięcia i prądu szczytowego.

• Czas reakcji: Idealny warystor ma czas reakcji równy zero, ale rzeczywiste warystory mają czas reakcji rzędu mikrosekund lub nanosekund. Czas reakcji jest związany z pojemnością i rezystancją obciążenia, które z kolei są związane z geometrią obudowy i składem materiału. Warystory tlenku cynku zapewniają krótszy czas reakcji przy tłumieniu transjentów.

• Stabilność temperaturowa: Powyżej pewnej temperatury, oceny tłumienia mocy szczytowej warystora zaczną dość szybko maleć. Ta ocena jest bardzo ważna, jeśli warystor będzie używany w ciepłym środowisku.

• Maksymalny prąd w stosunku do czasu impulsu przejściowego: Oceniany maksymalny prąd, który warystor może wytrzymać, będzie maleć wraz ze wzrostem czasu impulsu przejściowego.

Warystory pokazane poniżej obejmują komponenty SMD i przewlekane w zakresie napięć, prądów i ocen mocy. Urządzenia przewlekane są idealne dla systemów przemysłowych lub lekkich samolotów, podczas gdy komponenty SMD mogą być lepsze dla urządzeń wbudowanych, które muszą być wdrażane w środowisku wysokiego napięcia.

Littelfuse, V10E275P

V10E275P od Littelfuse jest częścią linii UltraMOV warystorów. Ten komponent zapewnia zaciskanie do 350 V przy maksymalnym prądzie szczytowym 3,5 kA z transjentami 8/20. Ten komponent przewlekany ma niską wrażliwość na temperaturę do ~85 °C. Inne komponenty w tej linii warystorów mają powtarzalne specyfikacje dla różnych rozmiarów modeli, co pozwala projektantom na wymianę na mniejszy warystor bez kompromisu w zakresie ochrony napięcia. Większe obudowy mają wyższe wartości tłumienia prądu szczytowego przy różnych czasach transjentów, jak pokazano na stronach 42 i 43 karty katalogowej.

EPCOS, B72220S151K101

Warystor B72220S151K101 od EPCOS zapewnia ochronę napięcia sieciowego w systemie AC z szybkim czasem reakcji ocenianym na ~25 ns. Napięcie zaciskowe jest oceniane na 395 V przy maksymalnych wartościach prądu przepięciowego 8 kA. Maksymalny oceniany prąd ma wolne zmniejszanie się w miarę wzrostu czasu transjentu, jak pokazano na poniższym wykresie.

Eaton, MLVB06V18C003

Warystor MLVB06V18C003 firmy Eaton to warystor o niższym napięciu, ale charakteryzuje się bardzo niską pojemnością wynoszącą 3 pF, co daje krótki czas reakcji wynoszący 1 ns. Ten warystor jest oceniany jedynie na napięcie do 18 V, więc nie jest idealny do stosowania w środowiskach wysokonapięciowych. Jest to komponent montowany powierzchniowo, co czyni go idealnym do tłumienia napięć przepięciowych w systemach o wysokiej gęstości. Warystor ten dostępny jest w obudowach SMD 0603 lub 0402.

Każda płytka PCB pracująca przy wysokim napięciu wymaga obwodów tłumiących przepięcia, aby chronić wrażliwe układy. Warystory pokazane tutaj oraz wiele innych komponentów do tłumienia napięć przepięciowych można znaleźć w naszym przewodniku wyboru części.

Zapoznaj się z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.